Το έντονο φαινόμενο της παγίδευσης θερμότητας από τα μόρια διοξειδίου του άνθρακα (CO2) της ατμόσφαιρας μπορεί να εξηγηθεί κβαντομηχανικά. Επομένως, η μελέτη της κβαντικής συμπεριφοράς του CO2 συνεισφέρει στην κατανόηση της ανθρώπινης επίδρασης στο φυσικό φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής.
Το 1896, ο Σουηδός φυσικός Svante August Arrhenius ήταν ο πρώτος που υπολόγισε την σχέση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη με την συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, στην εργασία του με τίτλο ‘On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of the Ground‘. Στα συμπεράσματά του (υπερ)εκτιμά ότι ο διπλασιασμός της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα θα προκαλέσει μια αύξηση στην μέση θερμοκρασία της γήινης επιφάνειας κατά 5 έως 6 oC. Επιπλέον, από τους πίνακες που παραθέτει φαίνεται μια λογαριθμική σχέση μεταξύ της αύξησης θερμοκρασίας της Γης συναρτήσει της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα. Έκτοτε, ολοένα και πιο εξελιγμένα σύγχρονα κλιματικά μοντέλα έχουν επιβεβαιώσει το κεντρικό συμπέρασμα του Arrhenius: ότι κάθε φορά που η συγκέντρωση CO2 στην ατμόσφαιρα διπλασιάζεται, η μέση θερμοκρασία της Γης θα αυξάνεται μεταξύ 2 και 5 βαθμών Κελσίου.
διαβάστε σχετικά: ‘Μια κάποια κλιματική ευαισθησία‘
Ωστόσο, ο φυσικός λόγος για τον οποίο το CO2 συμπεριφερόταν με αυτόν τον τρόπο παρέμενε μυστήριο όχι μόνο για τον Arrhenius και για τους επιστήμονες του 19ου αλλά και εκείνους του 20ου αιώνα, που ασχολήθηκαν με το φαινόμενο.
Έτσι, φτάσαμε στο 2022, όταν οι φυσικοί David M. Romps, Jacob T. Seeley και Jacob P. Edman με την δημοσίευσή τους ‘Why the Forcing from Carbon Dioxide Scales as the Logarithm of Its Concentration‘ διευθέτησαν την διαφωνία σχετικά με την προέλευση της «λογαριθμικής κλιμάκωσης» του φαινομένου του θερμοκηπίου. Πρόκειται για τον τρόπο με τον οποίο η αύξηση της θερμοκρασίας της Γης είναι η ίδια ως απόκριση σε οποιονδήποτε διπλασιασμό της συγκέντρωσης του CO2, ανεξάρτητα από συγκεκριμένες τιμές.
Στη συνέχεια, την άνοιξη του 2024, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Robin Wordsworth του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ περιέγραψε λεπτομερώς γιατί το μόριο CO2 είναι τόσο καλό στην παγίδευση θερμότητας χρησιμοποιώντας θεμελιώδεις φυσικές αρχές. Οι ερευνητές εντόπισαν μια παράξενη ιδιορρυθμία της κβαντικής δομής του μορίου που εξηγεί γιατί είναι ένα τόσο σημαντικό αέριο στο φαινόμενο του θερμοκηπίου – και γιατί η συγκέντρωση περισσότερου διοξειδίου άνθρακα στην ατμόσφαιρα επιδρά στο φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής. Η εργασία τους δημοσιεύθηκε στο περιοδικό The Planetary Science Journal με τίτλο ‘Fermi Resonance and the Quantum Mechanical Basis of Global Warming‘.
Η δημοσίευση αυτή είναι μια καλή απάντηση σε όλους εκείνους που λένε ότι η υπερθέρμανση του πλανήτη είναι απλώς κάτι που προκύπτει από αδιαφανή υπολογιστικά μοντέλα. Αντίθετα, η υπερθέρμανση του πλανήτη συνδέεται με μια αριθμητική σύμπτωση που περιλαμβάνει δύο διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να διεγερθεί το CO2. Αν δεν υπήρχε αυτή η σύμπτωση τότε πολλά πράγματα θα ήταν διαφορετικά.
Ένα παλιό συμπέρασμα
Πώς μπόρεσε ο Arrhenius να κατανοήσει τα βασικά του φαινομένου του θερμοκηπίου πριν καν ανακαλυφθεί η κβαντική μηχανική; Η θεμελίωση της κλιματικής επιστήμης ξεκίνησε με τον Jean Baptiste Joseph Fourier, έναν Γάλλο μαθηματικό και φυσικό ο οποίος πριν από 200 χρόνια (ακριβώς!) συνειδητοποίησε ότι η ατμόσφαιρα της Γης δρα ως «κουβέρτα» και μονώνει τον πλανήτη από το «κρύο» του διαστήματος, μια ανακάλυψη που ξεκίνησε το πεδίο της κλιματικής επιστήμης. Στη συνέχεια, το 1856, μια Αμερικανίδα, η Eunice Newton Foote, απέδειξε πειραματικά ότι το διοξείδιο του άνθρακα είναι ιδιαίτερα αποδοτικό στην απορρόφηση της θερμότητας. Την σκυτάλη πήρε ο Ιρλανδός φυσικός John Tyndall ο οποίος μέτρησε την ποσότητα του υπέρυθρου φωτός που απορροφά το CO2, δείχνοντας την επίδραση που ο Arrhenius στη συνέχεια ποσοτικοποίησε χρησιμοποιώντας βασικές γνώσεις για τη Γη.
Η Γη εκπέμπει θερμότητα με τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η ουσία του φαινομένου του θερμοκηπίου είναι ότι μέρος αυτής της ακτινοβολίας, αντί να διαφεύγει κατευθείαν στο διάστημα, απορροφάται (κυρίως) από τα μόρια του CO2 στην ατμόσφαιρα. Ένα μόριο απορροφά το φως και μετά το εκπέμπει ξανά. Στη συνέχεια θα το κάνει κάποιο άλλο κ.ο.κ.. Μερικές φορές το φως επανεκπέμπεται προς την επιφάνεια της Γης. Μερικές φορές κατευθύνεται προς το διάστημα, αφήνοντας τη Γη απειροελάχιστα πιο κρύα, αλλά μόνο εφόσον καταφέρει να διασχίσει ένα δύσκολο πριονωτό μονοπάτι προς το κρύο ανώτερο τμήμα της ατμόσφαιρας.
Χρησιμοποιώντας μια πιο ακατέργαστη εκδοχή της ίδιας μαθηματικής προσέγγισης που ακολουθούν σήμερα οι επιστήμονες του κλίματος, ο Arrhenius κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η προσθήκη περισσότερου CO2 θα προκαλούσε την αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του πλανήτη. Είναι σαν να προσθέτετε μόνωση στους τοίχους σας για να διατηρείτε το σπίτι σας πιο ζεστό το χειμώνα – η θερμότητα από τον φούρνο σας ενώ θα εκπέμπεται με τον ίδιο ρυθμό, θα διαφεύγ
ει δυσκολότερα.
Η υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκη κύματος γύρω στα 15 μm απορροφάται περισσότερο από το CO2 σε σχέση με τους υδρατμούς.
Λίγα χρόνια αργότερα, ωστόσο, ο Σουηδός φυσικός Knut Ångström δημοσίευσε μια διαφωνία. Υποστήριξε ότι τα μόρια του CO2 απορροφούν μόνο ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος υπέρυθρης ακτινοβολίας στα 15 μm. Και υπήρχε ήδη αρκετό αέριο στην ατμόσφαιρα για να παγιδεύσει το 100% του φωτός των 15 μm που εκπέμπει η Γη, οπότε η προσθήκη περισσότερου CO2 δεν θα έκανε τίποτα παραπάνω.
Εκείνο που δεν γνώριζε ο Ångström ήταν ότι το CO2 μπορεί να απορροφήσει μήκη κύματος και ελαφρώς μικρότερα ή μεγαλύτερα από 15 μm, αν και λιγότερο εύκολα. Αυτό το φως συλλαμβάνεται λιγότερες φορές κατά τη διάρκεια του ταξιδιού του προς το διάστημα.
Αλλά αυτός ο ρυθμός σύλληψης αλλάζει αν διπλασιαστεί η ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα. Τώρα το φως έχει διπλάσια μόρια προς αποφυγή πριν διαφύγει, και τείνει να απορροφάται περισσότερες φορές στην διαδρομή του. Διαφεύγει από ένα υψηλότερο, ψυχρότερο στρώμα της ατμόσφαιρας, ώστε η εκροή της θερμότητας να επιβραδύνεται με το σταγονόμετρο. Η αυξημένη απορρόφηση αυτών των μηκών κύματος γύρω από τα 15 μm είναι που ευθύνεται σε μεγάλο ποσοστό για το φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Παρά το λάθος, η εργασία του Ångström έριξε αρκετές αμφιβολίες για τη θεωρία του Arrhenius. Ακόμη και σήμερα, οι σκεπτικιστές της συναίνεσης για την ανθρωπογενή επιρροή στην κλιματική αλλαγή επικαλούνται μερικές φορές το «λογικό» επιχείρημα του Ångström για τον «κορεσμό άνθρακα».
Επιστροφή στα βασικά
Σε αντίθεση με εκείνες τις πρώτες μέρες, η σύγχρονη εποχή της κλιματικής επιστήμης έχει προχωρήσει σε μεγάλο βαθμό μέσω υπολογιστικών μοντέλων που αποτυπώνουν τις πολλές περίπλοκες και χαοτικές πτυχές της ακατάστατης, μεταβαλλόμενης ατμόσφαιράς μας. Αυτό κάνει τα συμπεράσματα πιο δυσνόητα.
Πολλοί σκεπτικιστές φυσικοί δυσκολεύονται να αποδεχθούν τα αποτελέσματα των κλιματικών μοντέλων που τρέχουν στους υπολογιστές, προβάλλοντας ως επιχείρημα ότι πρόκειται για υπολογισμούς που προκύπτουν από ένα «μαύρο κουτί» χωρίς κανείς να τους κατανοεί σε βάθος. Το να μη μπορεί κανείς να εξηγήσει σε κάποιον με χαρτί και μολύβι ή πίνακα και κιμωλια γιατί παίρνουμε αυτά τα αποτελέσματα προκαλεί δυσφορία.
Γι αυτό κάποιοι επιστήμονες έχουν θέσει ως στόχο να οικοδομήσουν μια όσο το δυνατόν απλή εξήγηση (αλλά όχι απλοϊκή) της επίδρασης της συγκέντρωσης CO2 στο κλίμα της Γης.
Ένα βασικό ερώτημα ήταν η προέλευση της λογαριθμικής κλιμάκωσης του φαινομένου του θερμοκηπίου – η αύξηση της θερμοκρασίας από 2 έως 5 βαθμούς που προβλέπουν τα μοντέλα ότι θα συμβεί για κάθε διπλασιασμό του CO2. Μια θεωρία υποστήριζε ότι η κλιμάκωση προέρχεται από το πόσο γρήγορα μειώνεται η θερμοκρασία με το υψόμετρο. Αλλά το 2022, μια ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε ένα απλό μοντέλο για να αποδείξει ότι η λογαριθμική κλιμάκωση προέρχεται από το σχήμα του «φάσματος» απορρόφησης του διοξειδίου του άνθρακα – από το γεγονός ότι η ικανότητά του να απορροφά φως ποικίλλει ανάλογα με το μήκος κύματος του φωτός.
Αυτό ανάγεται σε εκείνα τα μήκη κύματος που είναι ελαφρώς μεγαλύτερα ή μικρότερα από 15 μm. Μια κρίσιμη λεπτομέρεια είναι ότι το διοξείδιο του άνθρακα είναι «χειρότερο» – αλλά όχι πολύ «χειρότερο» – στην απορρόφηση του φωτός με αυτά τα μήκη κύματος. Η απορρόφηση πέφτει και στις δύο πλευρές της κορυφής με τον κατάλληλο ρυθμό για να προκαλέσει την λογαριθμική κλιμάκωση.
«Το σχήμα αυτού του φάσματος είναι ουσιαστικό», δήλωσε ο David Romps, που συμμετείχε στην εργασία του 2022. «Αν το αλλάξετε, δεν θα έχετε τη λογαριθμική κλιμάκωση.» Το σχήμα του φάσματος του διοξειδίου του άνθρακα είναι ασυνήθιστο – τα περισσότερα αέρια απορροφούν ένα πολύ στενότερο εύρος μηκών κύματος. «Η ερώτηση που είχα στο πίσω μέρος του μυαλού μου ήταν: Γιατί έχει αυτό το σχήμα;» είπε ο Romps. «Αλλά δεν μπορούσα να καταλάβω τον ακριβή λόγο για τον οποίο συνέβαινε αυτό».
Κανονικοί τρόποι ταλάντωσης
Ο Wordsworth, Jacob Seeley και Keith Shine στράφηκαν στην κβαντομηχανική για να βρουν την απάντηση. Το φως αποτελείται από πακέτα ή κβάντα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Μόρια όπως το CO2 απορροφούν τα φωτόνια μόνο όταν αυτά έχουν ακριβώς τη σωστή ποσότητα ενέργειας για να διεγείρουν το μόριο σε μια διαφορετική κβαντομηχανική κατάσταση.
Σχηματική απεικόνιση των τριών τρόπων δόνησης του διοξειδίου του άνθρακα.
Το διοξείδιο του άνθρακα βρίσκεται συνήθως στην θεμελιώδη του κατάσταση, όπου τα τρία άτομά του βρίσκονται στην ίδια ευθεία, με το άτομο άνθρακα στο κέντρο, σε ίση απόσταση από τα δυο άτομα του οξυγόνου. Όμως διαθέτει επίσης και «διεγερμένες» καταστάσεις.
Ένα φωτόνιο με μήκος κύματος 15 μm μεταφέρει την ενέργεια που απαιτείται ακριβώς για να ρυθμίσει το άτομο άνθρακα να στροβιλίζεται γύρω από το κεντρικό σημείο σε ένα είδος κίνησης χούλα-χουπ. Οι κλιματικοί επιστήμονες έχουν ενοχοποιήσει εδώ και καιρό αυτή την κατάσταση hula-hoop για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, αλλά – όπως προέβλεπε ο Ångström— το φαινόμενο απαιτεί μια ακριβώς συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας, σύμφωνα με τους Wordsworth et al. Η κατάσταση hula-hoop δεν μπορεί να εξηγήσει τη σχετικά αργή μείωση του ρυθμού απορρόφησης φωτονίων πέρα από τα 15 mμ, επομένως δεν μπορεί να εξηγήσει από μόνη της την κλιματική αλλαγή.
Όμως οι Wordsworth et al βρήκαν ότι το κλειδί, είναι ο άλλος τύπος κίνησης, όπου τα δύο άτομα οξυγόνου εκτινάσσονται επανειλημμένα προς και μακριά από το κέντρο άνθρακα, σαν να τεντώνουν και να συμπιέζουν ένα ελατήριο που τα συνδέει. Αυτή η κίνηση απαιτεί πολύ περισσότερη ενέργεια για να προκληθεί μόνο από τα υπέρυθρα φωτόνια που εκπέμπει η Γη.
Αλλά οι συγγραφείς διαπίστωσαν ότι η ενέργεια αυτού του τρόπου ταλάντωσης τυχαίνει να είναι πολύ κοντά στο διπλάσιο αυτής της κίνησης χούλα-χουπ ώστε οι δύο καταστάσεις κίνησης αναμειγνύονται η μία με την άλλη. Υπάρχουν ειδικοί συνδυασμοί των δύο κινήσεων, που απαιτούν λίγο περισσότερη ή μικρότερη από την ακριβή ενέργεια της κίνησης χούλα-χουπ.
Αυτό το μοναδικό φαινόμενο ονομάζεται συντονισμός Fermi από τον διάσημο φυσικό Enrico Fermi, ο οποίος το διατύπωσε σε μια εργασία του 1931. Αλλά η σύνδεσή του με το κλίμα της Γης έγινε για πρώτη φορά σε μια περσινή δημοσίευση των Shine και Perry με τίτλο ‘Radiative forcing due to carbon dioxide decomposed into its component vibrational bands‘. Πρόκειται για ένα αποτέλεσμα που μας δείχνει τελικά την άμεση σύνδεση της κβαντικής μηχανικής με τη μεγαλύτερη εικόνα.
Κατά κάποιο τρόπο ο υπολογισμός αυτός μας βοηθά να κατανοήσουμε την κλιματική αλλαγή καλύτερα από οποιοδήποτε μοντέλο υπολογιστή. Είναι θεμελιωδώς σημαντικό να κατανοούμε τις βασικές αρχές από τις οποίες προέρχονται τα διάφορα φαινόμενα. Και η εν λόγω δημοσίευση ενισχύει την υπόθεση της ανθρωπογενούς συνεισφοράς στο φυσικό φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής, δείχνοντας ότι βασίζεται σε βασικές κβαντομηχανικές έννοιες – με λίγα λόγια σε απλή φυσική.
Υπενθυμίζεται ότι αυτόν τον Ιανουάριο, το Εργαστήριο Παγκόσμιας Παρακολούθησης της NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) ανέφερε ότι η συγκέντρωση του CO2 στην ατμόσφαιρα έχει αυξηθεί από το προβιομηχανικό επίπεδο των 280 μερών ανά εκατομμύριο σε ένα ρεκόρ 419,3 μέρη ανά εκατομμύριο έως το 2023, προκαλώντας εκτιμώμενη αύξηση θερμοκρασίας 1 βαθμού Κελσίου μέχρι στιγμής.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
Το blog TEO O ΜΑΣΤΟΡΑΣ ουδεμία ευθύνη εκ του νόμου φέρει σχετικά σε άρθρα που αναδημοσιεύονται από διάφορα ιστολόγια. Δημοσιεύονται όλα για την δική σας ενημέρωση.